Comment les avions peuvent-ils voler ?

 

Si je laisse un grain de semence tomber, il va s’écraser au sol. Si je le lance, il va effectuer une rapide courbe, et finir de la même façon, s’écraser au sol.

Le ballon d’une équipe de foot frappé par le goal d’une équipe va parcourir une courbe et retomber.

Alors, pourquoi un A380 bien rempli peut aller jusqu’à 560 tonnes à son décollage, et voler tranquillement dans les airs ?

Comme tu t’en doutes bien, il s’agit là de l’application de différents phénomènes physiques établis par la nature elle-même. Et comme tu t’en doutes aussi, ami passionné de Sciences, lesdits phénomènes physiques sont bien compliqués.

Alors, on va faire ça complètement, mais très simplement. Le but est d’en comprendre le principe pas au-delà.

Voici les quatre principaux phénomènes qui font que tu pourras te rendre à New York en évitant de traverser l’Atlantique à la nage :

LA POUSSEE :

La poussée est la force produite par les réacteurs, c’est ce qui donne à l’avion un mouvement horizontal en accélération au sol, en ascension, et en vol.

LA TRAÎNEE

Appelée aussi la résistance à l’air. Une fois en vol l’avion doit « fendre » l’air de l’atmosphère. Cette résistance atmosphérique de l’air qui a tendance à ralentir l’avion s’appelle la Traînée. C’est la force due au frottement de l’air dans la direction opposée à la vitesse de l’avion.

Elle se divise en 2 parties :

  • la traînée induite, générée au niveau des surfaces portantes, par exemple l’aile par la portance elle-même (voir plus bas) qui induit une traînée

  • les traînées parasites dues aux formes de l’avion, et d’autres éléments comme le train d’atterrissage, par exemple, qui génère une forte traînée

 

 

 

LE POIDS

C’est évidemment la force qui attire l’avion vers le bas par la gravité

 

 

 

LA PORTANCE

Je t’ai gardé le phénomène physique le plus important pour la fin, la Portance, car c’est ce qui permet à l’avion de se maintenir en l’air et de te permettre d’aller manger tes hamburgers américains

> Une surpression sous l’aile

Pour qu’un avion puisse voler, il faut que ses ailes soient légèrement inclinées vers le haut, ce qui permet de dévier l’air en direction du bas, poussant ainsi l’avion « dans le ciel ».

Pour comprendre le phénomène, place ta main à l’extérieur de ta voiture qui roule. Tu constateras qu’en l’inclinant (levant) le bout de tes doigts vers le haut, ta main est automatiquement poussée vers le haut, car l’air part vers le bas.

Ainsi, le pilote de l’avion peut prendre davantage d’altitude en penchant l’avion et en ouvrant les volets situés sous les ailes.

> Principe de Bernoulli

 

 

Il dit que si la vitesse de l’air augmente la pression diminue. Prend deux feuilles de papier, une dans chaque main et mets les verticalement l’une et l’autre de chaque côté de ta bouche, en tenant les feuilles de papier sur le bord supérieur. Souffle entre les deux feuilles. Elles vont se rapprocher au point de se toucher. En soufflant, tu as augmenté la vitesse de l’air entre les deux feuilles, cela a provoqué une dépression, et les deux feuilles de papier se sont rapproché.

 

 

Dans l’animation ci-dessous, les feuilles sont tenues à l’horizontale, et quand les flèches se déplacent vers la droite, cela correspond à quand tu souffles. Et l’on voit très bien les deux feuilles horizontales se rapprocher.

 

Quelques explications supplémentaire par une toute petite vidéo de 51 secondes :

Donc une aile génère de la portance parce que l’air se déplace plus vite sur le dessus créant ainsi une zone de basse pression et donc de la portance.

Mais, en fait, pourquoi l’air se déplace plus vite sur le dessus de l’aile par rapport au-dessous ?

Les ailes des avions arborent une forme bombée pour permettre à l’air de circuler plus vite au-dessus de l’aile. En effet, l’air emprunte un chemin plus long, prenant ainsi suffisamment de vitesse. Cela provoque une dépression qui s’oppose au poids de l’avion. La pression atmosphérique pousse alors l’avion vers le haut, les ailes étant portées par l’air freiné sous elles. Le pilote modifie cet effet à son bon vouloir en inclinant les ailes au moment du décollage et de l’atterrissage.

 

> L’effet Coanda

Pour qu’un engin aussi imposant qu’un avion puisse se porter vers le haut, l’aile de l’appareil dévie beaucoup d’air vers le bas. C’est le principe de l’effet Coanda. Pour comprendre comment l’aile peut réussir à détourner une aussi grande quantité d’air, fais la petite expérience suivante : tiens horizontalement un verre d’eau sous un robinet de sorte qu’un fin filet d’eau s’écoule le long du verre. L’eau ne coule plus vers le bas mais s’enroule autour du verre du fait de la viscosité du fluide en mouvement. Ainsi, l’air suit simplement la surface de l’aile, comme le fait l’eau sur le verre.

> Les lois de Newton

En réalité, les phénomènes ci-dessus décrits n’explique pas tout. Si on se concentre uniquement sur la forme de l’aile, cela empêche la compréhension d’importants phénomènes tel que le vol inversé, la puissance, l’effet de sol et la dépendance de la portance avec l’angle d’incidence de l’aile.

Et c’est là que les lois de Newton, et oui, toujours lui, intervient pour expliquer plus en détail, plus scientifiquement ces phénomènes de portance.

Alors, comment une aile génère-t-elle de la portance ? Interviennent les première, deuxième, et troisième loi de Newton.

La première loi de Newton stipule qu’un corps au repos reste au repos, et qu’un corps en mouvement continue en suivant un mouvement rectiligne à moins qu’il soit soumis à l’application d’une force extérieure. Cela signifie que si l’on observe une déviation dans le flux de l’air, ou que si l’air à l’origine au repos est accéléré en mouvement, une force y a donc été imprimée.

La troisième loi de Newton stipule que pour chaque action il existe une réaction opposée de force égale. Par exemple, un objet qui repose sur une table exerce une force sur cette table (son poids) et la table applique une force égale et opposée sur l’objet qu’elle soutient. De façon à générer de la portance, l’aile doit faire quelque chose à l’air. Ce que fait l’aile sur l’air est l’action tandis que la portance est la réaction.

La deuxième loi de Newton intervient dans ces phénomènes, mais par souci de clarté nous ne l’élaborerons pas ici.

Comparons deux figures pour montrer les flux d’air (lignes de courants) autour d’une aile. Sur la figure ci-dessous, l’air arrive en ligne droite sur l’aile, la contourne, et continue en ligne droite derrière l’aile. L’air quitte l’aile dans le même état qu’il était à l’avant de l’aile. Il n’y a donc pas d’action nette sur l’air donc il ne peut y avoir de portance.

L’autre figure ci-dessous montre les lignes de flux comme elle devraient être dessinées. L’air passe au-dessus de l’aile et est dévié vers le bas. La déviation de l’air est l’action. La réaction est la portance de l’aile.

Selon les lois de Newton, l’aile doit modifier quelque chose dans l’air pour obtenir de la portance. Des modifications du moment de l’air résulteront des forces sur l’aile. Pour générer de la portance, l’aile doit dévier de l’air vers le bas, une grande quantité d’air.

La portance d’une aile est égale à la modification du moment de l’air qu’elle dévie vers le bas. Le moment est le produit de la masse par la vitesse. La portance d’une aile est donc proportionnelle à la quantité d’air dévié vers le bas multiplié par la vitesse verticale de cet air.

Donc, on peut résumer en disant que de la première loi de Newton, nous savons, que pour que le fluide s’enroule, il doit y avoir une force qui agit dessus. De la troisième loi de Newton, nous savons que le fluide doit exercer une force égale et opposée sur l’objet qui cause la déviation du fluide. Voilà !

Mais, au fait, pourquoi un fluide devrait-il suivre une surface courbe ? La réponse est la viscosité : la résistance à l’avancement qui donne à l’air une sorte d’adhérence. Souviens-toi de l’expérience du verre sous l’eau. La viscosité de l’air est très faible mais est suffisante pour que les molécules d’air se collent à la surface.

Voilà, on en a terminé avec les avions qui volent. Mais, dans le même esprit, si tu te demandes pourquoi les nuages qui pèsent des dizaines, des centaines, de tonnes ne nous tombent-ils pas également sur la tête, je te renvoie à l’article de ton serviteur intitulé « Pourquoi les nuages ne tombent-ils pas ? » sur RR (bien évidement) du 30 décembre 2020 auquel tu peux accéder en cliquant ici.

Bye bye !

Professeur Têtenlair

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19 Commentaires

  1. La poussée d’Archimède est égale au poids du volume de fluide déplacé par le corps. Un
    Boeing 747-300 à une charge maximum au décollage de 374 tonnes max. Son volume grosso modo est de 380m³ ce qui le soumet à une poussée d’Archimède de 450kg donc complètement négligeable en matière de portance par rapport aux 200 tonnes de charge variable (passagers, bagages, fret, combustible…)

    • Chère Dorylée,
      Je te remercie de l’intérêt que tu portes mes modestes articles.
      Je te remercie également de nous expliquer ce qu’est la poussée d’Archimède ce que tout le monde sait déjà depuis longtemps.
      Sauf erreur de ma part je ne parle absolument nulle part de la poussée d’Archimède dans mon article concernant le vol des avions. Si j’ai sorti ces mots c’est pour répondre à un post qui m’interrogeait sur cette question.
      Quand on écrit des articles scientifiques populaire destinés à un public non averti, nous savons qu’un grand nombre de lecteurs n’a que peu de connaissances sur les sujets abordés. Si une question est posée, il faut y répondre le plus simplement possible et avec les éléments compréhensibles pour celui qui pose la question.
      Si j’ai comparé la poussée d’Archimède à la portance dans mon post du 03/02/2022 à 7h39, c’est pour prendre une image, et rien d’autre qu’une image, que les forces qui retiennent l’avion en l’air sont dans le même esprit que celle qui empêche un bateau de couler par la poussée d’Archimède. Rien de plus.
      C’est pourquoi je décris dans l’article tous les phénomènes et que je ne fais allusion nulle part à la poussée d’Archimède qui n’est pas un argument scientifique sur le fait que les avons puissent voler.

  2. Un grand merci à Cachou et Guillaume P. pour vos réponses fort instructives à mes petites interrogations

  3. Réponse 1 à Karl der Hammer sur la poussée d’Archimède relative aux avions
    Sauf erreur de ma part, n’étant pas un spécialiste des fluides, et pour faire très simple, pour un avion, la poussée d’Archimède est équivalente à la portance., c’est la même chose. Ainsi donc, dans l’article, tu remplaces le mot « portance » par le mot « poussé d’Archimède ».
    La seule différence est que cette portance (et c’est pour cela que le mot est mieux adapté que poussée d’Archimède) s’exerce à l’inverse de la poussée d’Archimède. Cette dernière, pour un paquebot par exemple, est une force qui s’exerce au-dessous dudit paquebot, dans une direction verticale.
    Pour un avion cette même force exerce au-dessus de l’avion (aile) et toujours en force verticale.

    • Un grand merci, ami Benjamin, de tes encouragements et du lien que tu as donné, vidéo très intéressante.

  4. Bon billet qui oublie un point important :
    « En fait, tous les avions sont soutenus par une cinquième force, invisible mais omniprésente, appelée l’argent, et c’est la raison pour laquelle nous avons besoin de simulateurs de vol comme FLY!. »
    (manuel français de FLY!, chapitre « Notions de base d’aérodynamique », section « L’équilibre des forces », page 59).
    😉

  5. Petites questions qui me viennent à l’esprit:
    Quid de la poussée d’archimède en pourcentage de la portance (lift) – après tout n’est-ce pas cela qui nous permet de survivre aux tonnes d’air au-dessus de nos têtes?
    Dommage que vous n’ayez pas évoqué le rôle des élévateurs et de la gouverne de direction. D’ailleurs comment les pilotes de Boeings ou d’Airbus font-ils tourner leur avion? Il ne me semble pas qu’ils utilisent les ailerons des ailes pourtant théoriquement prévus à cet effet.

    • 1 bar au niveau de la mer donc 1 kilogrammes-force par centimètre carré.
      La poussée d’Archimède dans l’air est négligeable par rapport à la gravité.

      Un planeur ou avion ne disposant que de la direction (gauche/droite) et profondeur (haut/bas) est appelé « 2 axes » (rare existe juste sur les petits), ceux disposant aussi d’ailerons 3 axes.

      Les ailerons permettent d’incliner l’avion sur son axe longitudinal ce qui est très important, la gouverne de direction seule donne des virages dérapé: l’avion se met de travers par rapport aux flux d’air, l’aile masquée par le fuselage porte moins, elle « tombe », l’avion s’incline bien et vire, mais avec beaucoup de frottements d’air et de curieux mouvements. Le virage est moche, inconfortable (accélérations latérales) et disperse beaucoup d’énergie (vitesse) par frottement.

      De plus un avion qui vire voit son nez « tomber », il faut soutenir le virage à la profondeur, voire même beaucoup le soutenir, à 60° d’inclinaison on ressent 2G, il faut bien tirer sur le manche pour ne pas perdre de l’altitude.
      (Techniquement il faut alors aussi soutenir la queue de l’avion qui a tendance à « tomber » avec la direction, ça dépend des modèles et de la taille)

      Un virage bien coordonné sur 3 axes ne doit quasi pas faire bouger le niveau d’un verre d’eau posé devant vous, il restera horizontal et le passager qui ne regarde pas dehors ressentira juste une augmentation verticale de son poids. Les pilotes ont d’ailleurs un « niveau », anciennement un tube en verre recourbé avec une bille pour éviter les virages dérapé.

      Dans l’ancien temps sans aérofreins, on utilisait ce dérapage pour ralentir en approche, on « dérapait » avec la direction tout en maintenant l’avion horizontal aux ailerons pour éviter le virage et le fuselage de travers freinait beaucoup l’avion.

    • Réponse 2 à Karl der Hammer sur le poids de l’air au-dessus de nos têtes
      L’atmosphère est une enveloppe de gaz qui entoure la planète et dans laquelle nous vivons. Elle mesure environ 600 km d’épaisseur mais l’air que nous respirons est majoritairement contenu dans les 50 premiers kilomètres (99,9% de l‘atmosphère terrestre est située dans cette couche).
      Un litre d’air à une masse de 1,3 g en moyenne.
      Les 50 km d’air au-dessus de la tête pèsent 650 kg d’air : la masse d’une petite voiture au-dessus de ta tête. Pas mal, quand même.
      Alors, pourquoi ne te sens-tu pas écrasé au sol ? Parce que la pression s’exerce à la fois à l’extérieur et à l’intérieur de ton corps. En effet, l’air et le liquide contenu à l’intérieur de toi contrebalancent la pression de l’air extérieur. Ton corps exerce une poussée d’Archimède équivalente à la force qui s’exerce sur ton corps.

    • Réponse 3 à Karl der Hammer sur le rôle des élévateurs et de la gouverne de direction
      Pour synthétiser ta question, on peut dire qu’un avion se dirige par trois axes.
      – le tangage
      L’axe de tangage permet de monter ou de descendre le nez de l’appareil et va ainsi le faire monter ou descendre. Le mouvement est obtenu en faisant bouger une surface mobile située sur l’empennage horizontal, que l’on appelle élévateur ou gouverne de profondeur.
      Le mouvement est assuré en tirant ou en poussant le manche à balais ou le volant.
      > tirer : la gouverne de profondeur s’élève, cabre l’avion, et il prend de l’altitude
      > pousser sur le manche, la gouverne de profondeur s’abaisse ce qui soulève la queue de l’avion qui prend alors un mouvement à piquer.
      – le roulis
      C’est un braquage inverse des deux ailerons. Si l’aileron droit est élevé, l’aile droite va s’abaisser et dans le même temps l’aileron gauche va s’abaisser et dont l’aile gauche va s’élever. Une rotation autour de l’axe de roulis permet d’incliner l’avion. Cette manœuvre sert à mettre l’avion en virage.
      C’est en inclinant le manche à gauche ou à droite que le pilote va inverser l’avion. L’aileron s’élève du coté ou est incliné le manche.
      – Le contrôle en lacet
      C’est le mouvement de la gouverne de direction qui permet le contrôle en lacet de l’avion.
      Si celle-ci pivote vers la gauche la queue de l’avion va déraper vers la droite.
      La rotation autour de cet axe (vertical) permet de contrôler l’avion lors de sa course de décollage ou à l’atterrissage et permet de maintenir un vol symétrique en croisière.

  6. Merci cher professeur de ce cours instructif. Maintenant je ne pesterai plus quand mes cheveux se dressent sur ma tête quand je fends la bise sur ma bicyclette, à moins d’adopter la coiffure boule de billard pour améliorer l’aérodynamisme. Je me doutais bien que l’air rejeté vers l’arrière par les systèmes de propulsion, hélices, turboréacteurs, permettaient aux aéronefs de décoller. Avec votre cours, tout devient lumineux. Avec mon jeune frère nous avions doté nos bicyclettes de grandes ailes en carton et nous nous sommes élancés sur un tremplin fait de planches. Résultat, nous nous sommes écrasés comme des bouses de vache. Le rêve d’Icare fauché en plein vol, si je puis dire. Du coup le frangin plus tard à fait du parachutisme. D’ailleurs il a fait son service militaire au RPIMA! Je ne l’ai pas suivi dans cette voie. La peur, sans doute. Descendre du ciel au bout d’un morceau de chiffon ne me tente pas.

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